Laufen trotz Querschnittlähmung

Die drei Männer, die Grégoire Courtine und sein Team von der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne und der Uniklinik Lausanne behandelten, waren alle schon seit mehreren Jahren wegen einer Rückenmarkverletzung auf den Rollstuhl angewiesen. Bei ihnen wandten die Forscher eine epidurale elektrische Rückenmarkstimulation (EES) an. Hierfür wurde den Patienten zunächst ein Neurostimulator mit einem Set von 16 Elektroden im Lendenwirbel-Bereich implantiert, der gezielt das Rückenmark elektrisch stimuliert. Die Elektroden wurden dabei von den Neurochirurgen so platziert, dass sie auf spezielle Stränge des Rückenmarks einwirken, die jeweils eine bestimmte Gruppe von Beinmuskeln innervieren.

Das Elektrodenset ist mit einem unter der Haut implantierten Pulsgenerator verbunden, wie er auch für die tiefe Hirnstimulation verwendet wird. Für diese Aufgabe wurde der Pulsgenerator aber verbessert: Er stimuliert in Echtzeit mit kurzen elektrischen Impulsen spezielle Regionen des Rückenmarks. Gesteuert wird er von außen über einen Computer. Um die Muskelgruppen zur richtigen Zeit in der richtigen Reihenfolge zu aktivieren, ermittelten die Forscher zunächst bei Gesunden, in welcher Abfolge sich die einzelnen Muskelgruppen beim Laufen bewegen. Dieses Muster nutzten sie dann zur Steuerung des Pulsgenerators.

Die Schwierigkeit für die Probanden bestand den Forschern zufolge darin, ihre Intentionen zur Bewegung mit der elektrischen Stimulation zu koordinieren. Bei einer Querschnittlähmung ist meistens nicht das gesamte Rückenmark völlig durchtrennt, sondern es gibt noch wenige, funktionell aber schlafende Verbindungen. Diese versuchen – normalerweise erfolglos –, die Muskulatur zu aktivieren, wenn die Patienten sich vorstellen, dass sie ihre Beinmuskeln bewegen. Genau zu diesem Zeitpunkt stimulierten in dem Versuch die implantierten Elektroden die Nervenzellen, die diese Muskelgruppen innervieren. Diese beiden Faktoren, die Gedanken der Patienten und die elektrisch verstärkte Erregbarkeit der beteiligten Neuronen, ermöglichten die Bewegung, schreiben die Wissenschaftler.

Dafür benötigten die Patienten aber etwas Übung und die Hilfe eines intelligenten Körpergewichts-Unterstützungssystem, eine Art Geschirr, das sie sich anziehen. »Alle Patienten konnten mit dieser Unterstützung innerhalb von einer Woche laufen«, berichtet Neurochirurgin Professor Dr. Jocelyne Bloch, die die Elektroden eingesetzt hatte. Die Probanden übten zunächst auf einem Laufband und später in der Umgebung. Sie konnten sich alle willkürlich bewegen, solange die Stimulation fortgeführt wurde. Mit etwas Übung gelang es den Patienten auch, trotz gleichbleibender Stimulationsmuster die Schrittlänge zu erhöhen, den Gang zu beschleunigen und stehen zu bleiben. Auf dem Laufband legten sie innerhalb einer Stunde eine Strecke von etwa einem Kilometer zurück, ohne dass ihre Beinmuskulatur ermüdete, heißt es in der Nature-Publikation (DOI: 10.1038/s41586-018-0649-2).

Am Ende eines fünfmonatigen Reha-Programms mit regelmäßigem Lauftraining und Muskelaufbau waren die Erfolge nicht mehr auf die Zeit beschränkt, in der die Stimulation lief. Die Probanden konnten ihre Beinmuskulatur auch bewusst bewegen, wenn der Stimulator abgeschaltet war. Die Ursache hierfür sei die Aktivitäts-abhängige Plastizität des Nervensystems, so die Forscher. Durch die Bewegung in der Reha hätten sich die Nervenfasern so umorganisiert, dass sich die neurologische Kontrolle der Muskulatur verbessert habe.

In Tierversuchen hatten Mäuse auf diese Weise sogar wieder selbständig laufen gelernt. Allerdings war dies nur möglich, wenn sie früh nach der Rückenmarkverletzung mit dem Stimulator behandelt worden waren. Die Forscher nehmen daher an, dass die Behandlung bei Menschen noch deutlich effizienter ist, wenn sie früh erfolgt, da dann die neuronale Plastizität noch höher ist und die Muskelatrophie noch nicht eingesetzt hat. Das Team um Courtine und Bloch plant daher, die Technologie noch weiterzuentwickeln, und bei Patienten rasch nach der Verletzung zu testen.

Die Forscher sehen in den intermittierenden Stimulationsimpulsen einen Vorteil gegenüber bisherigen Ansätzen, die auf eine kontinuierliche Stimulation setzen. Im September hatten gleich zwei US-amerikanische Teams von ersten Erfolgen beim Einsatz der EES bei Patienten mit Querschnittlähmung berichtet. So konnte ein gelähmter Patient mit etwas Hilfe wieder einige Schritte gehen. Mittels elektrischer Rückenmarkstimulation und 43 Wochen Rehabilitationstherapie konnte der Patient mit 331 Schritten 102 Meter zurücklegen, berichtete ein Forscherteam von der Mayo Clinic in Rochester im US-Bundesstaat Minnesota im Fachjournal »Nature Medicine« (DOI: 10.1038/s41591-018-0175-7).

Mediziner um Dr. Susan Harkema von der University of Louisville, Kentucky, stellten im »New England Journal of Medcine« vier Patienten vor, die ebenfalls mit EES behandelt worden waren. Zwei von ihnen konnten nach intensivem Training wieder einige Schritte zurücklegen, alle vier konnten zumindest selbstständig stehen (DOI: 10.1056/NEJMoa1803588).

Dass die von dem Schweizer Team behandelten Patienten alle innerhalb einer Woche wieder mit EES laufen konnten, zeigt, dass der Ansatz mit der intermittierenden Stimulation Vorteile hat. Diese Ansicht vertritt auch Dr. Chet Moritz von der Washington University in einem begleitenden Kommentar (DOI: 10.1038/s41593-018-0264-4). Die kontinuierliche Stimulation könne die Wahrnehmung von Körperbewegung und -lage im Raum der Patienten stören, indem sie die sensorischen, von den Beinen kommenden Signale behindert, die für koordinierte Bewegungen aber wichtig sind. Zusammengenommen stellten diese drei Studien von drei unabhängigen Arbeitsgruppen »einen Durchbruch in der Behandlung von Paralysen dar«, so Moritz.